第二章发酵过程优化原理 第一节发酵过程优化的微生物反应原理 概述 二、微生物生长反应 第二节发酵过程数量化方法 、数量化方法的基础 发酵过程的速度 、化学计量学和热力学 第三节微生物反应动力学 微生物生长的非结构动力学模型 二、微生物产物形成动力学模型 三、多底物动力学 第四节微生物反应优化的一般原理 30 、发酵过程优化的一般步骤 二、分批微生物反应过程的优化
第二章 发酵过程优化原理...............................................................................................1 第一节 发酵过程优化的微生物反应原理...................................................................1 一、概述 .............................................................................................................1 二、微生物生长反应............................................................................................1 第二节 发酵过程数量化方法................................................................................... 11 一、数量化方法的基础 ...................................................................................... 11 二、发酵过程的速度.......................................................................................... 13 三、化学计量学和热力学................................................................................... 15 第三节 微生物反应动力学...................................................................................... 21 一、微生物生长的非结构动力学模型 ................................................................. 22 二、微生物产物形成动力学模型 ........................................................................ 27 三、多底物动力学 ............................................................................................. 28 第四节 微生物反应优化的一般原理........................................................................ 30 一、发酵过程优化的一般步骤............................................................................ 30 二、分批微生物反应过程的优化 ........................................................................ 30
第二章发酵过程优化原理 第一节发酵过程优化的微生物反应原理 、概述 微生物是发酵工业的灵魂,对微生物控制的发酵过程进行优化,首先要了解微生物的生 长反应特性。微生物细胞生长是细胞个体内许多化学反应的综合结果。这些反应包括合成提 供其它反应需要的吉布斯自由能;利用底物合成结构单元,再聚合成大分子物质,供合成细 胞所需等。正常情况下,微生物细胞为了确保有序和高效生长,必须将这些反应有机地结合 在一起,经济地分配胞内各代谢途径的通量。 大肠杆菌是发酵研究中用得最多的微生物。在大肠杆菌生长过程中前人已观察到下列现 象 (1)在大肠杆菌快速生长期间,生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中,结构单元(氨 基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致; (2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化。细胞以高比生长速率生长时对蛋白 质的需求很高,因此相对于低的比生长速率来说,蛋白质合成系统(PSS)在细胞中占有很大比 例。在低比生长速率下,PSS的利用率很低,其合成和维护对微生物来说是无用的代谢负担 (3)一旦生长培养基中的结构单元足够,细胞就不再合成这些物质 (4)特定的代谢途径代谢特定的底物,只有底物存在时,细胞才合成相应的酶。例如,只 有当乳糖存在时,大肠杆菌才合成β-半乳糖苷酶将乳糖降解成半乳糖和葡萄糖 (5)若两个不同的底物同时存在于培养基中,细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速 率生长的酶系,当这种底物消耗完毕,再合成利用另一底物的酶。如大肠杆菌在含有葡萄糖 和乳糖的培养基中生长,首先代谢葡萄糖,此生长阶段不产生β-半乳糖苷酶,不能代谢乳糖 当葡萄糖浓度变得很低时,系统合成β-半乳糖苷酶并利用乳糖继续生长 以上观测结果对其它微生物也具有一定的适用性。由于微生物胞内代谢途径紧密结合 因此,对全部过程进行建模(如对特定微生物的生长和产物形成),并不需要描述所有独立的 反应。如对微生物生长建模时,可以将所有的代谢途径混合起来用几个单一反应来表示,有 时甚至用一个反应式就可描述全部的生长过程。本节主要讨论微生物生长反应的基本原理 二、微生物生长反应 细胞生长过程可分为三个步骤:(1)底物传递进入细胞:(2)通过胞内反应,将底物转变为 细胞质和代谢产物:(3)代谢产物排泄进入非生物相,即胞外培养基。 培养基中存在的底物都是化学物质,可以被细胞摄入并代谢掉,或转化为其它细胞生长 所需要的物质。有些代谢产物还可以作为二次底物被细胞利用,所以很难说这些物质到底是 底物还是产物。如酿酒酵母的二次生长现象,当酵母以葡萄糖为底物生长的同时会产生乙醇, 葡萄糖耗尽后,细胞能继续以乙醇为底物生长。根据在大肠杄菌生长过程中观察到的五种情 况类推,当培养基中存在葡萄糖时,细胞不产生代谢乙醇的酶。因此,在利用葡萄糖生长和 利用乙醇生长之间有一个滞后的阶段。在本书中,认为底物是最初存在于培养基中的底物 如上所述,葡萄糖是底物,而乙醇则是代谢产物。代谢产物是那些形成于胞内,能够穿过细 胞膜的物质,它们可以被排泄进入非生物相。因此,代谢产物既可以是底物经过多步反应形 成的小分子物质,也可以是细胞产生的大分子物质,如胞外蛋白酶。细胞质成分则是由底物 形成的、不能穿过细胞膜的物质。众所周知的细胞质成分有蛋白质、RNA和DNA,一些小
1 第二章 发酵过程优化原理 第一节 发酵过程优化的微生物反应原理 一、概述 微生物是发酵工业的灵魂，对微生物控制的发酵过程进行优化，首先要了解微生物的生 长反应特性。微生物细胞生长是细胞个体内许多化学反应的综合结果。这些反应包括合成提 供其它反应需要的吉布斯自由能；利用底物合成结构单元，再聚合成大分子物质，供合成细 胞所需等。正常情况下，微生物细胞为了确保有序和高效生长，必须将这些反应有机地结合 在一起，经济地分配胞内各代谢途径的通量。 大肠杆菌是发酵研究中用得最多的微生物。在大肠杆菌生长过程中前人已观察到下列现 象∶ (1)在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨 基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致； (2)大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化。细胞以高比生长速率生长时对蛋白 质的需求很高，因此相对于低的比生长速率来说，蛋白质合成系统(PSS)在细胞中占有很大比 例。在低比生长速率下，PSS 的利用率很低，其合成和维护对微生物来说是无用的代谢负担； (3)一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质； (4)特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶。例如，只 有当乳糖存在时，大肠杆菌才合成-半乳糖苷酶将乳糖降解成半乳糖和葡萄糖； (5)若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速 率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶。如大肠杆菌在含有葡萄糖 和乳糖的培养基中生长，首先代谢葡萄糖，此生长阶段不产生-半乳糖苷酶，不能代谢乳糖。 当葡萄糖浓度变得很低时，系统合成-半乳糖苷酶并利用乳糖继续生长。 以上观测结果对其它微生物也具有一定的适用性。由于微生物胞内代谢途径紧密结合， 因此，对全部过程进行建模(如对特定微生物的生长和产物形成)，并不需要描述所有独立的 反应。如对微生物生长建模时，可以将所有的代谢途径混合起来用几个单一反应来表示，有 时甚至用一个反应式就可描述全部的生长过程。本节主要讨论微生物生长反应的基本原理。 二、微生物生长反应 细胞生长过程可分为三个步骤：(1)底物传递进入细胞；(2)通过胞内反应，将底物转变为 细胞质和代谢产物；(3)代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基。 培养基中存在的底物都是化学物质，可以被细胞摄入并代谢掉，或转化为其它细胞生长 所需要的物质。有些代谢产物还可以作为二次底物被细胞利用，所以很难说这些物质到底是 底物还是产物。如酿酒酵母的二次生长现象，当酵母以葡萄糖为底物生长的同时会产生乙醇， 葡萄糖耗尽后，细胞能继续以乙醇为底物生长。根据在大肠杆菌生长过程中观察到的五种情 况类推，当培养基中存在葡萄糖时，细胞不产生代谢乙醇的酶。因此，在利用葡萄糖生长和 利用乙醇生长之间有一个滞后的阶段。在本书中，认为底物是最初存在于培养基中的底物。 如上所述，葡萄糖是底物，而乙醇则是代谢产物。代谢产物是那些形成于胞内，能够穿过细 胞膜的物质，它们可以被排泄进入非生物相。因此，代谢产物既可以是底物经过多步反应形 成的小分子物质，也可以是细胞产生的大分子物质，如胞外蛋白酶。细胞质成分则是由底物 形成的、不能穿过细胞膜的物质。众所周知的细胞质成分有蛋白质、RNA 和 DNA，一些小
分子如ATP、NADH以及 NADPH也可以归为细胞质成分 基于以上的讨论,本书对底物、代谢产物和细胞质成分的定义为:底物是一种存在于初 始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物:代谢产物是一种作为代谢物产生于某代 谢途径进入非生物相的化合物;细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物 以下分别讨论运输过程(底物的摄入和产物的分泌)和胞内反应过程 (一)运输过程 大多数细胞的细胞质外有两种结构:细胞壁和细胞膜。这些结构是细胞的屏障,其化学 成分决定了物质能否在非生物相和细胞质之间运输。细胞壁是一种由交联肽聚糖构成的坚固 结构,其主要功能是为了防止因胞内高的渗透压而引起细胞破裂。细胞膜主要由磷脂组成, 在细胞生长过程中,具有变化的流动结构。大部分小分子很容易通过细胞壁,因此运输过程 主要决定于细胞膜。大分子物质只有在细胞具有特定的排泄机制时才可以通过细胞壁运输。 革兰氏阳性菌(如乳酸杆菌)的细胞壁厚度大约为35mm,比革兰氏阴性菌(如大肠杆菌)薄 2nm左右。但是革兰氏阴性菌具有两层磷脂分子膜,其中一层位于细胞壁外。胞外的膜含有 蛋白质,能形成孔径足够大的通道,确保分子量800~900的分子能够自由进出。小的亲水 分子可以通过这些充满水的通道快速扩散,而大分子物质只有在一些特殊的情况下,才能由 转运蛋白运输到细胞内部。因此对于革兰氏阴性菌来说,其细胞膜的特性决定着物质进出细 胞的运输过程。 细胞膜由于胞内的渗透压而紧挨着细胞壁,但是革兰氏阴性菌和酵母细胞的细胞膜和细 胞壁之间通常还有一层,即周质空间。该层含有多种蛋白质,如蛋白酶、核酸酶和磷酸酯酶 等水解酶,支持着20~40%的细胞质量。在周质空间可发生许多反应,这使得从胞外培养基 到细胞质的运输过程变得非常复杂。周质空间最主要的功能就是以所谓的“结合蛋白”的形 式富集底物,因此,非生物相和周质体空间的底物浓度不一定相同,在对运输过程建模时必 须考虑这些因素。 由于细胞膜是胞内和胞外环境的重要屏障,所以在细胞膜上的运输过程是研究者普遍关 心的内容。日前的研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制:(1)自由扩散:(2)协助扩散 (3)主动运输。前两种机制是沿着浓度梯度进行运输,是被动的过程,在运输过程中不需要提 供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度进行运输,需要输入一定的吉布斯自由能。表2-1-1 总结了一些底物和代谢产物在细菌和真菌中的运输过程。可以发现大多数底物在这两种微生 物中以相同的方式进行运输。以下分别介绍三种运输过程的特征 表2-1-1微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程 化合物 细菌 真菌 氨基酸 动运输 主动运输 葡萄糖 主动运输 协助扩散和主动运输 乳糖 主动运输 协助扩散和主动运输 甘油 自由扩散,协助扩散自由扩散,协助扩散 乙醇 自由扩散 自由扩散 乳酸主动运输和自由扩散 自由扩散 乙酸 自由扩散 自由扩散 二氧化碳 自由扩散 自由扩散
2 分子如 ATP、NADH 以及 NADPH 也可以归为细胞质成分。 基于以上的讨论，本书对底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：底物是一种存在于初 始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物；代谢产物是一种作为代谢物产生于某代 谢途径进入非生物相的化合物；细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物。 以下分别讨论运输过程(底物的摄入和产物的分泌)和胞内反应过程。 (一)运输过程 大多数细胞的细胞质外有两种结构：细胞壁和细胞膜。这些结构是细胞的屏障，其化学 成分决定了物质能否在非生物相和细胞质之间运输。细胞壁是一种由交联肽聚糖构成的坚固 结构，其主要功能是为了防止因胞内高的渗透压而引起细胞破裂。细胞膜主要由磷脂组成， 在细胞生长过程中，具有变化的流动结构。大部分小分子很容易通过细胞壁，因此运输过程 主要决定于细胞膜。大分子物质只有在细胞具有特定的排泄机制时才可以通过细胞壁运输。 革兰氏阳性菌(如乳酸杆菌)的细胞壁厚度大约为 35 nm，比革兰氏阴性菌(如大肠杆菌)薄 2 nm 左右。但是革兰氏阴性菌具有两层磷脂分子膜，其中一层位于细胞壁外。胞外的膜含有 蛋白质，能形成孔径足够大的通道，确保分子量 800～900 的分子能够自由进出。小的亲水 分子可以通过这些充满水的通道快速扩散，而大分子物质只有在一些特殊的情况下，才能由 转运蛋白运输到细胞内部。因此对于革兰氏阴性菌来说，其细胞膜的特性决定着物质进出细 胞的运输过程。 细胞膜由于胞内的渗透压而紧挨着细胞壁，但是革兰氏阴性菌和酵母细胞的细胞膜和细 胞壁之间通常还有一层，即周质空间。该层含有多种蛋白质，如蛋白酶、核酸酶和磷酸酯酶 等水解酶，支持着 20～40%的细胞质量。在周质空间可发生许多反应，这使得从胞外培养基 到细胞质的运输过程变得非常复杂。周质空间最主要的功能就是以所谓的“结合蛋白”的形 式富集底物，因此，非生物相和周质体空间的底物浓度不一定相同，在对运输过程建模时必 须考虑这些因素。 由于细胞膜是胞内和胞外环境的重要屏障，所以在细胞膜上的运输过程是研究者普遍关 心的内容。目前的研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：(1)自由扩散；(2)协助扩散； (3)主动运输。前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动的过程，在运输过程中不需要提 供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能。表 2-1-1 总结了一些底物和代谢产物在细菌和真菌中的运输过程。可以发现大多数底物在这两种微生 物中以相同的方式进行运输。以下分别介绍三种运输过程的特征。 表 2-1-1 微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程 化合物 细菌 真菌 氨基酸 葡萄糖 乳糖 甘油 乙醇 乳酸 乙酸 二氧化碳 主动运输 主动运输 主动运输 自由扩散，协助扩散 自由扩散 主动运输和自由扩散 自由扩散 自由扩散 主动运输 协助扩散和主动运输 协助扩散和主动运输 自由扩散，协助扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散
自由扩散 自由扩散 水 自由扩散 自由扩散 广散 底物自由扩散通过脂膜包括三个步骤:(1)底物从胞外培养基运输到膜相;(2)分子在脂膜 中扩散:(3)从脂相进入细胞质。一般情况下,细胞质具有和胞外培养基相似的物理和化学性 质,因此,步骤(1)和3)相似。相内的过程可认为处于平衡,也就是说这些过程的特征时间要 比分子扩散通过脂膜层的特征时间短得多。界面上脂膜层物质的浓度一般指水相中产物的浓 度,分配系数Kμ就是化合物在脂层的溶解速率和在水中溶解速率的比值。分子扩散的质量 通量遵守Fick第一定律,化合物通过厚度为dmcm的质膜进入细胞的传质速率可以用方程 (2-1-1)表示 J=mem,(c-Ch (2-1-1) nien 式中,Dnm为化合物在质膜中的扩散系数,ca和cb分别为非生物相(胞外培养基)和生物 相(细胞质)中化合物的浓度。 DmemKpaddmem的比率又称渗透系数P,经常用于传质的计算。如 果缺乏渗透系数,可以用式(2-1-2)进行粗略的估计。 =0.028Ko 式中,Mw为化合物的分子量,Km为化合物在橄榄油~水体系中的分配系数,P的单 位为cm/s。通过大量不同化合物的测量,已经得到了它们之间的相互关系式。然而在使用该 关系式时,有些化合物的P值可能会偏离方程预测值。 如果定义ac为细胞的比表面积(m2/g干细胞),那么化合物的比运输速率为 对于球形细胞来说,含水率为w(g/g),细胞密度为p(g/m3),则比表面积为 6 del, (1-w)p 通过自由扩散进行运输的化学物质主要有氧气、二氧化碳、水、有机酸和乙醇等。在电 离状态下,小分子有机酸在脂膜中实际上是不溶的,此时应当用膜两边的非电离有机酸的浓 度来代替方程(2-1-1)中的总浓度ca和cb,这些浓度可通过式(2-1-4)计算得到 (K。10m+1)c (2-1-4) 式中,K为酸的电离常数。可以看到,膜表面水相的pH值对 Ciundiss有影响,由于胞内 外pH一般不同,尽管ca=cb,理论上仍然有可能有一定流量的酸通过膜。此外,尽管有机酸 能迅速达到电离平衡,同时,在水相和脂相中未电离的酸也达到溶解平衡,但水相中靠近脂 膜的地方仍然有可能存在一薄膜层。假如胞内的酸浓度比胞外培养基中高得多,未电离的酸 就会持续转移入脂膜,促使电离平衡向未电离方向移动,多数酸就溶解在脂膜中。在膜的培 养基这边,未电离酸的浓度很高,快速电离促使脂相中的未电离的酸进入水相。这样,我们 可以利用方程(2-1-1)模拟小分子有机酸的情况,只有当假设的膜层不合理时,才需要修正膜 内的pH差异。 为了更好地理解自由扩散的意义,让我们来看一下乳酸的分泌过程。乳酸菌从葡萄糖转
3 氧气 水 自由扩散 自由扩散 自由扩散 自由扩散 1、自由扩散 底物自由扩散通过脂膜包括三个步骤：(1)底物从胞外培养基运输到膜相；(2)分子在脂膜 中扩散；(3)从脂相进入细胞质。一般情况下，细胞质具有和胞外培养基相似的物理和化学性 质，因此，步骤(1)和(3)相似。相内的过程可认为处于平衡，也就是说这些过程的特征时间要 比分子扩散通过脂膜层的特征时间短得多。界面上脂膜层物质的浓度一般指水相中产物的浓 度，分配系数 Kpar就是化合物在脂层的溶解速率和在水中溶解速率的比值。分子扩散的质量 通量遵守 Fick 第一定律，化合物通过厚度为 dmem 的质膜进入细胞的传质速率可以用方程 (2-1-1)表示。 ( ) par a b mem mem K c c d D J = − (2-1-1) 式中，Dmem为化合物在质膜中的扩散系数，ca和 cb 分别为非生物相(胞外培养基)和生物 相(细胞质)中化合物的浓度。DmemKpar/dmem的比率又称渗透系数 P，经常用于传质的计算。如 果缺乏渗透系数，可以用式(2-1-2)进行粗略的估计。 oil P Mw 028Kpar = 0. (2-1-2) 式中，Mw 为化合物的分子量， oil Kpar 为化合物在橄榄油～水体系中的分配系数，P 的单 位为 cm/s。通过大量不同化合物的测量，已经得到了它们之间的相互关系式。然而在使用该 关系式时，有些化合物的 P 值可能会偏离方程预测值。 如果定义 acell 为细胞的比表面积(m2 /g 干细胞)，那么化合物的比运输速率为 ( ) cell cell a b r = J a = P a c − c (2-1-3) 对于球形细胞来说，含水率为 w(g/g)，细胞密度为(g/m3 )，则比表面积为 cell cell cell d w a (1 ) 6 − = 通过自由扩散进行运输的化学物质主要有氧气、二氧化碳、水、有机酸和乙醇等。在电 离状态下，小分子有机酸在脂膜中实际上是不溶的，此时应当用膜两边的非电离有机酸的浓 度来代替方程(2-1-1)中的总浓度 ca和 cb，这些浓度可通过式(2-1-4)计算得到∶ i pH i undiss a c K c i 1 , ( 10 1) − = + (2-1-4) 式中，Ka为酸的电离常数。可以看到，膜表面水相的 pH 值对 ci,undiss 有影响，由于胞内 外 pH 一般不同，尽管 ca=cb，理论上仍然有可能有一定流量的酸通过膜。此外，尽管有机酸 能迅速达到电离平衡，同时，在水相和脂相中未电离的酸也达到溶解平衡，但水相中靠近脂 膜的地方仍然有可能存在一薄膜层。假如胞内的酸浓度比胞外培养基中高得多，未电离的酸 就会持续转移入脂膜，促使电离平衡向未电离方向移动，多数酸就溶解在脂膜中。在膜的培 养基这边，未电离酸的浓度很高，快速电离促使脂相中的未电离的酸进入水相。这样，我们 可以利用方程(2-1-1)模拟小分子有机酸的情况，只有当假设的膜层不合理时，才需要修正膜 内的 pH 差异。 为了更好地理解自由扩散的意义，让我们来看一下乳酸的分泌过程。乳酸菌从葡萄糖转
变为乳酸的过程中获得吉布斯自由能。为了保持胞内的pH不变,细胞必须将代谢产物乳酸 排泄入非生物相。乳酸的渗透系数大约为1.5×10cm,乳酸菌是直径约为1pm的球形细 胞,含水量80%,细胞的密度10°gm3,细胞的比表面积为30m2g干重,代入方程(2-1-3), 得到 ra=(1.5×106ms1×30m2g干重)cacb) =(45×105m3sl/g干重c-c) 在细胞的快速生长阶段,乳酸的产生速度大约为14mg(g干细胞s)由方程(2-1-5)可知, 当胞外培养基和细胞质之间的浓度小至31g/m3时,扩散过程就可以将产生的乳酸转移出细 乳酸通过脂膜的快速扩散还可以解释许多细菌胞内乳酸及其它小分子有机酸的毒性效 应。胞外乳酸浓度高时,胞内的浓度也很高。由于乳酸的电离常数很小,细胞很难维持胞内 最适pH在7左右。尽管存在乳酸的主动运输系统,但通过细胞膜的快速自由扩散导致乳酸 仍然会连续流入细胞。 2、协助扩散 细胞膜中有许多转运蛋白,允许特定的化合物进行被动运输,但比自由扩散通过细胞又 快得多,这一过程就是协助扩散。真菌中这种运输机制是很典型的,在细菌中则比较少见 文献报道只有甘油是通过协助扩散进入大肠杆菌细胞的。协助扩散与自由扩散相似,因为只 有存在浓度梯度时,由高浓度向低浓度的运输才可能发生。化合物在自由转运物的存在下才 能进入细胞,故运输速率遵循典型的饱和型动力学:如在低浓度下,运输速率与底物浓度呈 级相关,而在高浓度时则呈现零级相关。真菌中通过协助扩散的底物主要有葡萄糖和其它 糖类。 离子可以通过细胞特定蛋白(类似于革兰氏阴性菌细胞外膜的 porIn)形成的孔道而被摄 入。当离子进入到孔道,内部就形成一种电荷,可以防止其它离子进入。离子孔道和转运蛋 白具有相似的功能,研究发现通过离子孔道的运输也遵循饱和型动力学 3、主动运输 主动运输与协助扩散的相似之处在于,两者都以特定的膜内蛋白作为运输过程的媒介 与协助扩散相比,主动运输可以逆着浓度梯度的方向进行运输,因此是一个耗能的过程。运 输过程中需要的自由能可以靠消耗ATP中的高能磷酸键来维持(一级主动运输),或者和其它 沿着浓度梯度方向的运输过程结合在一起(次级主动运输)。对于有些底物存在一种特别的主 动运输过程,即所谓的基团移位,它是指底物在穿过细胞膜时,转变成不可渗透的异构体。 在氧化磷酸化过程中释放质子就是一个重要的一级主动运输过程。原核生物将质子释放 到胞外培养基,例如穿过质膜而泵出体外。而在真核生物中,氧化磷酸化发生在线粒体内 质子穿过线粒体内膜而运输到线粒体内膜和外膜之间。在这两种情况下,质子的泵出是通过 氧化NADH而释放大量的自由能来推动的。质子穿过膜的过程中会产生电化学势,将质子运 输回细胞(或线粒体内),就可以获得吉布斯自由能。质子的内流是由参与了AP合成的ATP 酶传递的,其运输是可逆的,如ATP酶也可以通过消耗AP的方式将质子泵出细胞,这也 是一个一级主动运输过程。质子的运输过程如图2-1-1所示
4 变为乳酸的过程中获得吉布斯自由能。为了保持胞内的 pH 不变，细胞必须将代谢产物乳酸 排泄入非生物相。乳酸的渗透系数大约为 1.5×10-4 cm/s，乳酸菌是直径约为 1 m 的球形细 胞，含水量 80%，细胞的密度 106 g/m3，细胞的比表面积为 30 m2 /g 干重，代入方程(2-1-3)， 得到∶ rlac =(1.5×10-6 ms -1×30 m2 /g 干重)(ca-cb) =(4.5×10-5 m3 s -1 /g 干重)(ca-cb) (2-1-5) 在细胞的快速生长阶段，乳酸的产生速度大约为 1.4 mg/(g 干细胞s)。由方程(2-1-5)可知， 当胞外培养基和细胞质之间的浓度小至 31 g/m3 时，扩散过程就可以将产生的乳酸转移出细 胞。 乳酸通过脂膜的快速扩散还可以解释许多细菌胞内乳酸及其它小分子有机酸的毒性效 应。胞外乳酸浓度高时，胞内的浓度也很高。由于乳酸的电离常数很小，细胞很难维持胞内 最适 pH 在 7 左右。尽管存在乳酸的主动运输系统，但通过细胞膜的快速自由扩散导致乳酸 仍然会连续流入细胞。 2、协助扩散 细胞膜中有许多转运蛋白，允许特定的化合物进行被动运输，但比自由扩散通过细胞又 快得多，这一过程就是协助扩散。真菌中这种运输机制是很典型的，在细菌中则比较少见， 文献报道只有甘油是通过协助扩散进入大肠杆菌细胞的。协助扩散与自由扩散相似，因为只 有存在浓度梯度时，由高浓度向低浓度的运输才可能发生。化合物在自由转运物的存在下才 能进入细胞，故运输速率遵循典型的饱和型动力学∶如在低浓度下，运输速率与底物浓度呈 一级相关，而在高浓度时则呈现零级相关。真菌中通过协助扩散的底物主要有葡萄糖和其它 糖类。 离子可以通过细胞特定蛋白(类似于革兰氏阴性菌细胞外膜的 porin)形成的孔道而被摄 入。当离子进入到孔道，内部就形成一种电荷，可以防止其它离子进入。离子孔道和转运蛋 白具有相似的功能，研究发现通过离子孔道的运输也遵循饱和型动力学。 3、主动运输 主动运输与协助扩散的相似之处在于，两者都以特定的膜内蛋白作为运输过程的媒介。 与协助扩散相比，主动运输可以逆着浓度梯度的方向进行运输，因此是一个耗能的过程。运 输过程中需要的自由能可以靠消耗 ATP 中的高能磷酸键来维持(一级主动运输)，或者和其它 沿着浓度梯度方向的运输过程结合在一起(次级主动运输)。对于有些底物存在一种特别的主 动运输过程，即所谓的基团移位，它是指底物在穿过细胞膜时，转变成不可渗透的异构体。 在氧化磷酸化过程中释放质子就是一个重要的一级主动运输过程。原核生物将质子释放 到胞外培养基，例如穿过质膜而泵出体外。而在真核生物中，氧化磷酸化发生在线粒体内， 质子穿过线粒体内膜而运输到线粒体内膜和外膜之间。在这两种情况下，质子的泵出是通过 氧化 NADH 而释放大量的自由能来推动的。质子穿过膜的过程中会产生电化学势，将质子运 输回细胞(或线粒体内)，就可以获得吉布斯自由能。质子的内流是由参与了 ATP 合成的 ATP 酶传递的，其运输是可逆的，如 ATP 酶也可以通过消耗 ATP 的方式将质子泵出细胞，这也 是一个一级主动运输过程。质子的运输过程如图 2-1-1 所示